1、CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 畢業(yè)設計（論文）題目： 牙刷植毛設備控制器的研制 學生姓名： 李 航 川學 號： 200857050103班 級: 055710801專 業(yè)： 電子信息工程指導教師： 李 鴻2012 年 6 月牙刷植毛設備控制器的研制 學生姓名： 李 航 川學 號： 200857050103班 級： 055710801所在院(系): 電氣與信息工程學院指導教師： 李 鴻完成日期: 2012年6月 牙刷植毛設備控制器的研制牙刷植毛設備控制器的研制摘要現(xiàn)代社會牙齒已成為健康美麗的標志，牙刷的需求也在逐漸增加。目前，全球

2、牙刷年需求量已經超過90億支，并以每年10%的速度遞增。中國人口眾多，牙刷作為現(xiàn)代生活必需品需求相當的大。牙刷雖小卻是一個消費巨大市場成熟的大商品，并且伴隨著生活質量的提高，對于牙刷的質量同樣提高，優(yōu)質的保健牙刷設備的生產效率以及生產質量需求促進了高速牙刷植毛機的設備開發(fā)。在牙刷植毛設備控制器的設計中，本文中通過采用模塊化、層次化的結構思想設計出了一種基于單片機和PLC控制結構的數控牙刷植毛機系統(tǒng)，具備了人機對話、檢測、控制等一系列的功能，控制系統(tǒng)采用了高性能的單片機芯片、使用了高精度的步進電機及其驅動程序、可編程邏輯控制器PLC、位置檢測反饋等部件，構成了一個使用高效的閉環(huán)驅動系統(tǒng)。可實現(xiàn)每

3、分鐘植毛 400600孔，日完成量達60007000支牙刷的大批量生產，充分滿足了市場的需求，為企業(yè)帶來良好的經濟效益。關鍵詞：牙刷植毛控制器；步進電機；PLCTOOTHBRUSH CONTROLLER OF FLOCKING EQUIPMENTABSTRACTModern society has become a healthy and beautiful teeth marks, the toothbrush needs are increasing gradually. At present, the global toothbrush year demand has more than

4、 9000000000branches, and10% at an annual rate of increase. China has a large population, a toothbrush as modern necessities of life needs fairly large. The toothbrush is small is a huge consumption market mature big commodity, and with improved quality of life, the toothbrush quality also increases,

5、 quality health care toothbrush equipment production efficiency and production quality demand to promote high-speed tufting hair machine equipment development. The toothbrush tufting equipment controller design, this paper adopts a modular, hierarchical structure thought of a design based on single

6、chip microcomputer and PLC control structure of NC tufting hair machine system, have man-machine dialogue, detection, control and a series of functions, control system uses high performance MCU chip, using a high precision stepper motor and its driver, a programmable controller PLC, position detecti

7、on feedback components, constitute an efficient use of the closed loop drive system. Can realize each minute hair 400 600 holes, complete amounts to 60007000 toothbrushes for mass production, and fully meet the market demand, for the enterprise to bring good economic benefits.Key words:  t

8、oothbrush tufting controller; step motor; PLC目 錄1 緒論.11.1 課題研究的背景及意義11.1.1 牙刷植毛控制器設計的背景11.1.2 牙刷機設計的意義21.2 牙刷植毛機的研究內容32 系統(tǒng)設計.52.1 總體設計方案52.2 牙刷植毛控制器的設計方案63 系統(tǒng)設計.83.1 系統(tǒng)功能設計83.1.1 植毛機構83.1.2 高精度X、Y運動平臺83.1.3 單片機控制系統(tǒng)83.2 系統(tǒng)結構設計83.3 硬件系統(tǒng).83.3.1 CPU模塊103.3.2 通訊模塊123.3.3 傳動驅動模塊153.3.4

9、 電氣工作模塊設計193.4 軟件系統(tǒng).194 結論.27參考文獻.28致謝.29附錄.30附錄A.30附錄B.31 牙刷植毛設備控制器的研制1 緒論1.1 課題研究的背景及意義1.1.1 牙刷植毛控制器設計的背景東漢金丹全書記載：“飲食之毒，積于牙縫，于當夜晚洗刷，則垢污盡去，齒自不壞”。“故晨漱不如夜漱，此善于養(yǎng)齒者”。西漢名醫(yī)諄于意認為齲齒是：“食而不漱”所致，說明我國古人已認識到刷牙對口腔衛(wèi)生重要性，這也符合現(xiàn)代口腔衛(wèi)生概念。有關刷牙習俗始于印度，隨佛教傳入中國，根據敦煌莫高窟壁畫刷牙圖可以分為兩類：一類是揩齒圖，另一類是齒木刷牙圖（牙刷的發(fā)展見圖1.1）。現(xiàn)代社會牙齒已成為健康美麗的

10、標志，牙刷的需求也在逐漸增加。目前，全球牙刷年需求量已經超過90億支，并以每年10%的速度遞增。中國人口眾多，牙刷作為現(xiàn)代生活必需品需求相當的大。牙刷雖小卻是一個消費巨大市場成熟的大商品，并且伴隨著生活質量的提高，對于牙刷的質量同樣提高，優(yōu)質的保健牙刷設備的生產效率以及生產質量需求促進了高速牙刷植毛機設備的開發(fā)。現(xiàn)代高科技的電動牙刷現(xiàn)代工業(yè)設計的普通牙刷1498年世界上第一支牙刷誕生明清的牙刷圖1.1 牙刷的發(fā)展一只普通的牙刷一般由刷頭、手柄和牙刷毛三部分組成。傳統(tǒng)牙刷制作工藝是采用以下方法制作的：先通過模具得到塑膠刷柄，該過程被稱為“注塑”；然后是植毛，通過植毛機將刷毛植入到塑膠刷柄上去；植

11、毛后通過打磨機把毛切成各種需要的形狀；第四步是拉應力檢測，將生產出來的牙刷進行測試，檢驗其質量是否符合標準；最后，將經檢測合格的產品進行包裝，就得到了我們在超市里看到的牙刷。制作過程如圖1.2所示。一把牙刷的好壞，消費者更看重的是刷頭部分，因此，第二步植毛在整個生產過程中起到了至關重要的作用。注塑植毛打磨拉應力檢測包裝圖1.2 牙刷制作過程1.1.2 牙刷機設計的意義目前，牙刷作為一種日常用品在國內外的需求都是非常大的，因此需要適應大批量、高效率、多樣式的制刷機械。國外產品的可靠性和效率都很高，但是其結構比較復雜，價格昂貴。國內機器由于簡單仿造傳統(tǒng)植毛機構造和早期低速運動的工作臺，不適合大負荷

12、高速工作，故可靠性和效率都比較低。進入20世紀80年代，電路的集成度越來越高，對運動控制系統(tǒng)產生了很重要的影響，運動控制系統(tǒng)的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展，并由硬件控制轉向軟件控制，智能化的軟件控制將成為運動控制系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。運動系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式也在向硬件方式發(fā)展，針對不同行業(yè)，市面上已經出現(xiàn)了各種各樣的運動控制器，其標準化、開放程度已經給廣大的用戶帶來極大的便利。隨著工業(yè)自動化改革的不斷深入，運動控制器的應用已走出機械加工行業(yè)，越來越多地應用于其它工業(yè)自動化設備控制，如機器人控制、電子機械、木工機械、包裝機械、紡織機械、印刷機械等諸多行業(yè)。作為傳統(tǒng)工業(yè)的制刷機械行業(yè)，實現(xiàn)生產自動

13、化是目前提高生產效率和產品質量的唯一途徑；也是提高國內制刷生產能力和生產水平的迫切要求。因此，在國內對制刷機械自動化改造的探索和研究開發(fā)有著十分重要的意義。1.2 牙刷植毛機的研究內容 經調查研究發(fā)現(xiàn)，目前我國多數制刷業(yè)所采用的牙刷植毛機為半自動化設備，即在植毛前植毛針與刷柄的第一個植入孔對位時需人工進行，如圖1.3所示。隨著勞動力成本的提高，牙刷的生產成本也相繼提高，由于采用人工對位，就容易出現(xiàn)對位不準的時候，這樣，最終進行質量檢測的時候，其良率也就成為了一個令人頭疼的問題。從管理學角度出發(fā)，流水線作業(yè)的方式是一個可以提高生產效率和良率的好方法。針對以上問題，我本次所設計的牙刷植毛設備控制器

14、主要為適用于大批量生產的自動化流水線作業(yè)。圖1.3 傳統(tǒng)植毛方式在牙刷植毛設備控制器的設計中，本文中通過采用模塊化、層次化的結構思想設計出了一種基于單片機和PLC控制結構的數控牙刷植毛機系統(tǒng)，具備了人機對話、檢測、控制等一系列的功能，控制系統(tǒng)采用了高性能的單片機芯片、使用了高精度的步進電機及其驅動程序、可編程控制器PLC、位置檢測反饋等部件，構成了一個使用高效的閉環(huán)驅動系統(tǒng)。可實現(xiàn)每分鐘植毛400600孔，日完成量達60007000支牙刷的大批量生產，充分滿足了市場的需求，為企業(yè)帶來良好的經濟效益。2 設計方案2.1 牙刷制造總體設計方案鑒于上一部分的分析，本次所設計的牙刷植毛設備控制器主要為

15、適用于大批量生產的機械流水線作業(yè)，以降低生產成本，提高生產質量及生產效率。主要生產流程為：首先，將得到的同一型號的刷柄（手柄朝外）按順序插入刷柄槽（即裝牙刷刷柄的槽子，大概一個刷柄槽可以裝10×10個刷柄）中；然后，轉盤朝向刷柄槽的那一側取出刷柄后，歸位，并逆時針旋轉90度，植毛機進行植毛；植毛結束，轉盤逆時針旋轉90度，打磨機把毛刷尖磨成所需的形狀，以防因刷毛太過尖銳而造成傷害；最后，轉盤繼續(xù)逆時針旋轉90度，此時，一支完整的牙刷制造完畢，被送到傳送帶上等待質量檢測和最后的包裝；接下來，轉盤再次逆時針旋轉90度，來進行下一次刷柄的取出，這樣連續(xù)反復的進行生產。流水線作業(yè)過程設計簡圖

16、見圖2.1所示。1、刷柄槽4、傳送帶轉盤2、植毛機3、打磨機dabc圖2.1 流水線作業(yè)過程設計其中，轉盤的a、b、c、d四只“手”向前伸和上下移動互不干擾，轉盤的“手”靠重力感應傳感器取刷柄，轉盤通過步進電機的控制來旋轉；刷柄槽中放置刷柄的位置是等間隔的；植毛機在植毛的過程中是靠植針的運動來完成工作的，這一部分將是本文研究的重點。2.2 牙刷植毛控制器的設計方案牙刷植毛設備控制器的功能是把牙刷毛植入牙刷孔，加工過程主要完成牙刷坯料拾取、植毛頭自動定原位、數控工作臺 X，Y方向孔位定圓心、分色植毛等一系列動作。牙刷坯料由注塑而成、不同規(guī)格的牙刷坯料頭部孔位尺寸、位置等參數不同,植毛過程前需要獲

17、得牙刷坯料孔位置等幾何參數，然后編寫出數控加工程序。本設計中，牙刷植毛控制器的植毛過程大致為：首先，啟動主機，使工作臺回零；然后，取牙刷板，若取到，則夾緊刷板，工作臺找到第一孔坐標。此時啟動主軸電機，帶動主軸旋轉，安裝在主軸上的3只互成一定角度的凸輪啟動，開始植毛。第一凸輪驅動一換向裝置，帶動拉毛梭芯在梭殼中來回拉絲。從而不斷將牙刷絲送人植毛嘴中；同時另一凸輪帶動送鐵片機構。將鐵片送人切片刀盒；此時連桿機構帶動刀片切出的薄片。并與梭芯拉人的刷絲一起送人植毛嘴中，由步進電機驅動的裝有刷板的工作臺移到植毛嘴下，將一束刷絲連同鐵片植入當前刷板孔中，這樣就完成一次循環(huán)。如果在植毛過程中出現(xiàn)機器故障、植

18、毛孔對不準等情況，步進電機會自動停機等待處理，這時候人工進行處理問題，然后機器會重新返回到主軸電機啟動重新開始植毛。在植毛過程中，電磁閥控制著毛色的更換，如果需要更換毛色電磁閥開啟，植毛機會自動更換毛色，重復上一步則毛色會更換回來，然后電磁閥釋放，繼續(xù)植毛。植毛過程中步進電機會自動計算剩余毛孔數量，如果為零本支牙刷就植毛完畢，主軸電機會自動停轉，然后循環(huán)第一步更換新的一直牙刷繼續(xù)植毛。牙刷植毛控制器工作流程圖見圖2.2所示。主機啟動工作臺回零取牙刷版取到嗎？夾緊刷版，工作臺定第一孔坐標主軸電機啟動，剎車松，開始植毛重毛嗎？繼續(xù)植毛更換毛色嗎？為零嗎？剩余孔倒計數牙刷彈出板倉，工作臺回零停機，等

19、待處理毛色控制、電磁閥釋放本只牙刷植完，主軸停轉更換毛色恢復原色嗎？日產量、總產量+1處理完嗎？N N N N N N N Y Y Y Y Y Y Y 圖2.2 牙刷植毛控制器工作流程圖3 系統(tǒng)設計3.1 系統(tǒng)功能設計本設計中的牙刷植毛設備控制器主要由3部分組成：植毛機構，高精度X、Y方向運動平臺和單片機控制系統(tǒng)。3.1.1 植毛機構主要完成刷絲傳送、鐵片傳送、鐵片剪切、尉絲與鐵片合成、植入刷板等動作。其工作原理是：啟動主軸電機，帶動主軸旋轉，安裝在主軸上的3只互成一定角度的凸輪啟動。第一凸輪驅動一換向裝置，帶動拉毛梭芯在梭殼中來回拉絲。從而不斷將牙刷絲送人植毛嘴中；同時另一凸輪帶動送鐵片機構

20、。將鐵片送入切片刀盒；此時連桿機構帶動刀片切出1.6mm×1mm×0.4rnrn的薄片。并與梭芯拉入的刷絲一起送入植毛嘴中，由步進電機驅動的裝有刷板的工作臺移到植毛嘴下，將一束刷絲連同鐵片植入當前刷板孔中，完成一次循環(huán)。如此反復，機器將不停地生產出牙刷，平均每支牙刷植毛時間為57s。3.1.2 高精度X、Y運動平臺這是一套精度較高的兩軸定位系統(tǒng)，主要完成牙刷取板，刷板定位，X、Y方向移位，牙刷出板等一系列動作。因此這部分精度如何影響到整機性能及牙刷植毛質量，要求運動平穩(wěn)、移位速度快、到位精度高。通常刷板孔徑在1.6nm左右，要能準確地將毛絲及鐵片植入刷板每孔中心，給運動平臺

21、提出了較高要求。其設計原理是：由微電腦控制步進電機，來驅動X軸與Y軸，而X軸和Y軸采用定制精密滾珠絲杠絲杠導程為9.6rnrn，步距為0.04 mm。工作臺的平移運動，由X、Y軸運動基座加裝導桿，并在導桿上安裝立線軸承以消除晃動及步距誤差。夾板裝置安裝固定在運動平臺上，由電磁氣動闕完成刷板的夾緊及彈出。3.1.3 單片機控制系統(tǒng)該部分是全自動牙刷植毛機的心臟。它所完成的工作主要包括4個方面：(1)協(xié)調整機工作狀態(tài)，檢測各個控制環(huán)節(jié)，包括X軸零位、Y軸零位、板倉空、毛色、重毛、移位等的檢測。(2)控制各支路動作，包括X、Y軸步進電機正、反向運動控制，移位步距控制，主軸驅動電機啟、停控制，剎車、換

22、毛、出板氣泵的工作時序。(3)故障報警指示，包括重毛故障，電源故障，X、Y軸不能回零，毛色不能變換，移位計數等指示。(4)人機對話功能，包括是否緊急停機，故障清除恢復，主軸電磁剎車是否釋放，是否啟動工作，新牙刷品種的程序編制，日產量計數，總產量計數，工作臺移位速度的設定，毛色設定，出板位置的設定，X、Y軸偏移量的修正。3.2 系統(tǒng)結構設計牙刷植毛設備控制器是以單片機及PLC為整個系統(tǒng)的控制核心, 驅動X、Y兩軸做插補運動的數控機床系統(tǒng)。在牙刷植毛機數控系統(tǒng)設計中, 我們采用的是模塊化設計方法, 把整個系統(tǒng)分解為若干個具有相對獨立功能的子系統(tǒng), 形成不同的功能模塊, 以提高產品的開發(fā)速度, 快速

23、響應市場需求; 同時希望提高產品的質量、性能并降低成本。牙刷植毛機數控系統(tǒng)總模塊設計如圖3.1所示。牙刷植毛機控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)單片機控制模塊通訊模塊傳動驅動模塊PLC控制模塊液晶顯示模塊鍵盤輸入模塊電氣工作模塊 圖3.1 設計方案框圖整個數控牙刷機控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分組成。硬件系統(tǒng)包括了四個模塊，單片機控制模塊、輸入輸出模塊、PLC控制模塊和伺服控制模塊。輸入輸出模塊由鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊構成。在軟件系統(tǒng)中包括了單片機控制程序模塊和PLC控制程序模塊。單片機控制程序模塊由各功能子程序模塊和主程序控制模塊構成。各功能模塊子程序包括加工程序編輯子程序、液晶顯示子程序、

24、通信子程序、差補運算子程序和伺服控制子程序。數控牙刷機控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要是單片機控制。3.3 硬件系統(tǒng)3.3.1 CPU模塊隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89S51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存

25、儲器和數據存儲器，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產基于51為內核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產領域ATMEL公司的工藝和封裝技術一直處于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產品，9表示內含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數為：Flash存儲器容量為4K

26、B、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數器WDT、I/O口共有32個。CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關）前向通道傳動驅動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖3.2 CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務：（1）將行程開關的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。（2）通過程序實時控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行程開關狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應到LED

27、上，實現(xiàn)人機交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進行I/O擴展。考慮到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內部自帶鎖存器的8155，所以AT89S51的I/O口線分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進電機的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉模式。（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復位、圓弧插補開關的狀態(tài)

28、而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數據讀取。（5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。P1.0-P1.2驅動1X步進電機驅動2Y步進電機P1.3-P1.5P1.6驅動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖3.3 AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當前運行的8個狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個行程開關的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2

29、的手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行、復位（RST）、圓弧插補6個開關的狀態(tài)。PA/PC口-與非門INT0/INT1中斷源0中斷源1圖3.4 多中斷源中斷觸發(fā)圖3.3.2 通訊模塊3.3.2.1 單片機與PLC的通信控制板上的高速單片機(AT89S51) 負責整個系統(tǒng)的協(xié)調運作, 包括接收鍵盤輸入、顯示輸出、檢測各個控制環(huán)節(jié)、控制各支路動作、報警提示、人機對話、接收PLC反饋信息等; PLC部分負責監(jiān)測機床的安全開關、缺絲開關、急停、自動/ 手動、停止/ 啟動、剎車按鈕等各個部位電磁閥、開關的狀態(tài)并作出相應的處理, 同時將機床的各部分信息反饋給單片機; 單片機與PLC之間采

30、用并行口通信, 相互協(xié)調,共同完成牙刷植毛動作。在本系統(tǒng)中, PLC既要與單片機進行通信, 又要對機床上各傳感器的信號作出響應。PLC與單片機的通信可以通過串行接口或并行接口來實現(xiàn)。串行通信所需PLC點數少, 但速度慢, 且需專門編寫通信協(xié)議程序。鑒于本數控系統(tǒng)的單片機控制模塊有足夠的I/O接口( 片外擴展兩片8155芯片) , 我們采用并行接口的方式來實現(xiàn)PLC與單片機的通信, 將8155芯片的PA、PB口作為PLC與單片機的輸入輸出通道,PA、PB口各八位( 可表示機床的28= 256種狀態(tài)) 。機床上的傳感器主要包括X、Y軸導軌限位開關及換毛機構傳感器等。通信的框圖如圖3.5所示。單片機

31、控制板PA8155PBXPLCYXYX軸導軌限位開關Y軸導軌限位開關主電機A色毛B色毛 換毛機構C色毛機床圖3.5 單片機與PLC的接口 3.3.2.2 鍵盤與單片機的通信本電路的鍵盤輸入設計為4×4的鍵盤矩陣，又稱為行列式鍵盤，如下圖3.6所示：圖3.6 鍵盤輸入電路圖3.6中，4個10K的電阻為上拉電阻。鍵盤矩陣通過P1口與單片機連接，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上，設置一個按鍵，形成4×4個按鍵。這種行列式鍵盤結構能有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。單片機工作時，首先，先從P1口的高四位輸出低電平，低四位輸

32、出高電平，從P1口的低四位讀取鍵盤狀態(tài)。再從P1口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，從P1口的高四位讀取鍵盤狀態(tài)。將兩次讀取結果組合起來就可以得到當前按鍵的特征編碼。使用上述方法我們得到16個鍵的特征編碼。然后，將得到的16個按鍵的特征編碼按圖中按鍵排列排成一張?zhí)卣骶幋a與順序編碼的對應關系表，然后用當前讀得的特征編碼來查表，當表中有該特征編碼時，它的所在位置就是對應的順序編碼。判斷是否有鍵按下的方法分下面幾步：  (1)向所有的列線I/O口輸出低電平后，將行線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。若無鍵按下，行線任保持高電平狀態(tài)，若有鍵按下，行線至少應有一條為低電平。 (2)確定有

33、鍵按下后，求鍵碼。求鍵碼的方法是：依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若全為高電平，說明該閉合鍵不在該列，若不全為1，則說明閉合鍵在該列，且在變?yōu)榈碗娖降男械慕稽c上。值得注意的是，在鍵盤處理程序中，每個鍵都被賦予了一個鍵號，由從列線I/O口輸出的數據和從行線I/O讀入的數據可以求出閉合鍵的鍵號。3.3.2.3 液晶顯示屏與單片機的通信液晶顯示器(LCD)比起數碼管來說具有顯示信息多、體積小、功耗低等特點。本數控系統(tǒng)選用深圳研安佳電子有限公司的可視化編程LCD液晶顯示模塊作為顯示終端，以簡化系統(tǒng)操作，改善人機對話環(huán)境，使顯示內容豐富，圖文并茂，提高可視化程度。為提高LCD的響應速度

34、，可先把控制系統(tǒng)要用到的圖標和字庫預裝入LCD自帶的存貯系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)單片機控制模塊通過串口給LCD顯示屏發(fā)送相應命令控制需要生成的界面和信息。接口方式如圖3.7所示。VCCRXDTXDVSSPIN PIN2PINPINPIN320×240模塊（LCD背光）AT89S51PIN1（SIO）+5V+5V圖3.7 單片機AT89S51與320×240模塊的接口在編寫單片機AT89S51的顯示控制軟件時需注意以下事項:串行口模式設為模式1 (1個起始位, 8個數據位, 1個停止位) ;波特率設為9600bps(TH1= TL1= 0FDH, SMOD= 0; TH1= TL1=

35、 0FAH,SMOD= 1) ; 在發(fā)送命令之前需檢測模塊為閑態(tài)(PIN7=1) , 否則所發(fā)的命令可能失效; ¼串口發(fā)送的必須是完整命令的ASCII碼( 漢字為其機內碼,ASCII字符為其ASCII碼) ; ½在每條命令末尾還要加上命令結束碼/ 0D0, 以表明命令結束; ¾模塊SIO接口中PIN6的作用是當模塊內MCU由于干擾死機時, 用戶控制電路可強行復位, 使模塊脫離死機狀態(tài), 判斷模塊是否死機可通過向其發(fā)送正確的控制命令后, PIN7電平是否有變化來得知, 實際上模塊在完成每條內部命令操作后立刻進入睡眠狀態(tài), 死機的機率是極低的, 所以系統(tǒng)未使用。3.3

36、.3傳動驅動模塊傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使植針壓下。步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖3.8 步進電機驅動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電

37、時，電動機轉動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖3.9 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）該驅動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅動電磁鐵的電流比較大。圖3.1

38、0 電磁鐵驅動電路系統(tǒng)要求植毛機的植毛速度為300500孔min，在這種高速運轉的情況下，步進電機很容易產生失步現(xiàn)象，造成植毛精度不準，影響加工效率和產品質量，因此有必要采取措施解決步進電機的失步問題。我們采用高精度增量式光電編碼器來作為其位置檢測元件，以提高系統(tǒng)加工精度和可靠性。步進電機伺服系統(tǒng)原理框圖如圖3.9所示。進給脈沖指令位置誤差計數器交流伺服電機編碼器工作臺絲杠位置反饋信號+圖3.11 步進電機伺服系統(tǒng)框圖進給脈沖指令由單片機控制系統(tǒng)發(fā)出，步進電機上的光電編碼器檢測其位置信號，并將其反饋給位置誤差計數器，當位置誤差為零，即步進電機已走到指定位置時，停止發(fā)送運動脈沖，因而能夠準確控制

39、步進電機的走步距離，徹底消除失步現(xiàn)象。 由于步進電機不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此，必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關。這里行程開關作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關就充當了傳感器。人機界面設計的準則就是要有良好的人機交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有9個LED，LED1燈亮表示X軸負方向禁止通行，LED2燈亮表示X軸正方向禁止通行，LED3燈亮表示Y軸負方向禁止通行，LED4燈亮表示Y軸正方向禁止通行，LED5燈亮表示手動使工作臺向X軸負方向通行，LED6燈亮表示手動使工作臺向X軸正方向通

40、行，LED7燈亮表示手動使工作臺向Y軸負方向通行，LED8燈亮表示手動使工作臺向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運行。界面上的7個按扭意義為：按扭1是通斷電開關，按扭2是向X軸負方向運行的點動開關，按扭3是向X軸正方向運行的點動開關，按扭4是向Y軸負方向運行的點動開關，按扭5是向Y軸正方向運行的點動開關，按扭6是復位開關，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關。圖3.12 人機界面圖3.3.4電氣工作模塊設計兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電

41、壓轉換得到所需的12V和5V電壓。圖3.13 電源轉換電路圖電路中在轉換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應用的過程中，LM7805必須加上散熱片。3.4 軟件系統(tǒng)對于AT89S51的程序設計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調試功能。3.4.1 主流程圖上電復位P1.6=0，吸合電磁鐵，植針抬起外部中斷，8155初始化開外部中斷，開總中斷等待中斷圖3.14CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3

42、FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中斷0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定時器0中斷入口 ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器1中斷入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0；外中斷負跳沿觸發(fā) SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD A口輸入，B口輸出，C口輸入 SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB EX1 ；允許外中斷1 S

43、ETB PX0 SETB PX1 ；設置優(yōu)先級 SETB EA ；開總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進入中斷0的中斷服務INT0IS，是中斷1則進入中斷1的中斷服務INT1IS。中斷服務0是由4個行程開關觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取PA口內容，然后將結果反饋到PB口的LED上。中斷服務1有6個中斷源，這六個中斷源分別是手動X正方向運行，手動X負方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負方向運行，復位和繪制圓弧。3.4.2 INT0中斷服務流程圖INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH P

44、USH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內容 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR,A MOV DPTR,R2 MOV A，R2 CPL A ；A取反 ANL A，#03H ；屏蔽高6位 JZ A，TM2C SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3圖3.15 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI3.4.3 INT1中斷

45、服務流程圖圖3.16 INT1終端服務流程圖INT1IS：CLR EX1 MOV A，DPTRPUSH ACC JNB ACC.4，RSTPUSH PSW JNB ACC.0，X+ENPUSH DPTL JNB ACC.1，X-ENPUSH DPTH JNB ACC.2，Y+ENCLR P1.6 JNB ACC.3，Y-ENMOV A，PC JNB ACC.5，ARCMOV DPTR，A LOOP1：POP DPTHMOVX A，DPTR；讀PC口內容 POP DPTLMOV R1，A POP PSWANL R1，#0FH POP ACCMOV A，PB SETB EX1MOV DPTR，A

46、RETIMOV A，DPTR；讀PB口內容ANL A，#0FHSWAP AORL A，R1MOV R2，AMOV A，PBMOV DPTR，AMOVX DPTR，R2；數據輸入PB口INC DPTL3.4.4 復位程序流程圖 NP1.6=0，抬起植針讀PA口內容ACC.0=0？ACC.2=0？X軸電機反轉一步Y軸電機反轉一步跳轉LOOP1Y圖3.17 復位程序流程圖 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表X

47、電機反轉 ACALL XMOTOR0 ；X電機反轉一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y電機反轉 ACALL YMOTOR0 ；Y電機反轉一步 AJMP RPALOOP0：AJMP LOOP13.4.5 X軸電機點動正轉程序流程圖YNP1.6=0，抬起植針讀PA口內容ACC.0=0？PC0=0？X軸電機反轉一步跳轉LOOP1圖3.18 X軸電機點動正轉程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機點動正轉的程序，其